用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置

摘要

本发明公开了一种用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，海水通过进水口经减压阀将海水压力降为常压后，进入到样品水舱，并通过出水阀和排水泵与外界海水保持循环交换；取样时，样品水舱中的海水通过流量泵泵入到气液分离室中进行气液分离，分离出的气体进入到检测室，通过红外光源发射红外线照射检测室中的气体，穿过所述气体透射出的红外线由热释电红外传感器接收，并转换成电信号输出至控制电路进行待测气体的浓度计算；待检测结束后，启动气泵抽吸检测室中的气体并排放至样品水舱中，并通过循环交换排出耐压舱。本发明的检测装置体积小，携带方便，可以对海水中溶解的多种气体进行浓度检测，具有操作简单，精度高，采样效率高等优点。

权利要求

1.一种用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：包括耐压舱以及设置在所述耐压舱中的减压阀、样品水舱、流量泵、气液分离室、检测室、气泵、排水泵和出水阀；在所述耐压舱的舱壁上设置有进水口和出水口，所述出水口通过出水阀和排水泵与样品水舱连通；海水通过进水口经减压阀将海水压力降为常压后，进入到样品水舱，样品水舱中的海水在减压阀和排水泵的共同作用下与耐压舱外界的海水保持循环交换；在进行海水取样时，将样品水舱中的海水通过流量泵泵入到气液分离室中进行气液分离，分离出的气体进入到检测室；在所述检测室上设置有红外光源和热释电红外传感器，红外光源发射红外线照射检测室中的气体，穿过所述气体透射出的红外线由热释电红外传感器接收，并转换成电信号输出至控制电路进行待测气体的浓度计算；待检测结束后，启动气泵抽吸检测室中的气体并排放至所述的样品水舱中，并开启连接在气液分离室与样品水舱之间的隔离阀，抽吸气液分离室中的海水至所述的样品水舱，进而通过海水的循环交换将检测后的气体和液体置换出样品水舱。

2.根据权利要求1所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：

在所述气液分离室中设置有透气不透水的隔膜，通过所述隔膜将气液分离室分成上下两个腔室，上方为气室，下方为液室；所述样品水舱分别通过进水管路和出水管路与所述的液室连通，所述流量泵设置在所述的进水管路中，所述隔离阀设置在所述的出水管路中；所述隔离阀开启后，利用所述排水泵的抽吸作用将液室中的海水抽入到样品水舱中。

3.根据权利要求2所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：

所述隔膜为硅树脂膜或者聚四氟乙烯膜。

4.根据权利要求2所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：

在所述进水管路中还设置有限定海水从样品水舱向流量泵流动的单向阀，所述单向阀位于样品水舱与流量泵之间。

5.根据权利要求1所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：

所述气泵通过气体管路连接至样品水舱的底部，在所述气体管路中设置有换气阀；所述气泵抽吸检测室中的气体直至将检测室抽成真空。

6.根据权利要求1所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：

通过所述进水口进入的海水经由过滤器滤除掉其中的杂质后，再流经所述的减压阀。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：在所述检测室的相对的两个侧壁上分别开设有一个透明观察窗，检测室的其余部分由不透光材料制成；所述红外光源正对其中一个透明观察窗布设，发射红外光通过所述透明观察窗射入到检测室内；所述热释电红外传感器正对另外一个透明观察窗布设，接收透射出来的红外光。

8.根据权利要求7所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：

所述热释电红外传感器为双通道热释电红外传感器，包括测量通道和参考通道，根据待检气体的种类确定待检气体吸收的红外波长，进而选择与之对应波长的滤光片安装在热释电红外传感器的测量通道中，以接收所述波长的光信号。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：在所述控制电路中设置有放大器、模数转换器、处理器和PWM电路，通过所述热释电红外传感器输出的电信号经放大电路进行放大处理后，输出至模数转换器转换成数字信号，并发送至处理器进行待测气体的浓度计算；所述处理器输出一定调制频率的PWM信号至PWM电路，通过PWM电路控制红外光源的开关频率。

10.根据权利要求9所述的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，其特征在于：所述调制频率在0.1Hz-3Hz的范围内取值；所述待测气体为对红外光敏感的气体。

说明书

用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置

技术领域

[0001] 本发明属于海水检测系统技术领域，具体地说，是涉及一种用于对海水中溶解的甲烷、二氧化碳、乙炔等对红外光敏感的气体进行浓度在线检测的探测装置。

背景技术

[0002] 由于天然气燃烧时所产生的二氧化碳远比燃烧燃油和煤所产生的二氧化碳要少得多，因此，近年来天然气水合物被认为是一种潜在的高效能源资源。海水中溶解的甲烷气体不但对全球变暖和海洋环境变化有着重要的影响，而且也是发现渗漏型天然气水合物赋存区的依据之一，因此，对海水中溶解的甲烷含量进行在线监测的技术是获取海水甲烷通量变化过程的主要手段。

[0003] 海洋中甲烷气体含量的在线探测技术是近年来发展的一项新的实时观测方法，基于该技术产生的探测设备，其构造多种多样，成本差异较大，测量精度有高有低，并且只能对甲烷这一种气体进行浓度检测，因此适用领域非常受限，不能满足现今海洋探测领域对溶解在海水中的多种不同气体进行在线检测的工作要求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种用于对溶解在海水中的多种气体进行浓度检测的装置，结构简单、成本低廉，可以对海水中溶解的多种气体进行浓度检测。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0006] 一种用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置，包括耐压舱以及设置在所述耐压舱中的减压阀、样品水舱、流量泵、气液分离室、检测室、气泵、排水泵和出水阀；在所述耐压舱的舱壁上设置有进水口和出水口，所述出水口通过出水阀和排水泵与样品水舱连通；海水通过进水口经减压阀将海水压力降为常压后，进入到样品水舱，样品水舱中的海水在减压阀和排水泵的共同作用下与耐压舱外界的海水保持循环交换；在进行海水取样时，将样品水舱中的海水通过流量泵泵入到气液分离室中进行气液分离，分离出的气体进入到检测室；在所述检测室上设置有红外光源和热释电红外传感器，红外光源发射红外线照射检测室中的气体，穿过所述气体透射出的红外线由热释电红外传感器接收，并转换成电信号输出至控制电路进行待测气体的浓度计算；待检测结束后，启动气泵抽吸检测室中的气体并排放至所述的样品水舱中，并开启连接在气液分离室与样品水舱之间的隔离阀，抽吸气液分离室中的海水至所述的样品水舱，进而通过海水的循环交换将检测后的气体和液体置换出样品水舱。

[0007] 作为所述气液分离室的一种优选结构设计，在所述气液分离室中设置有透气不透水的隔膜，通过所述隔膜将气液分离室分成上下两个腔室，上方为气室，下方为液室；所述样品水舱分别通过进水管路和出水管路与所述的液室连通，所述流量泵设置在所述的进水管路中，所述隔离阀设置在所述的出水管路中；所述隔离阀开启后，利用所述排水泵的抽吸作用将液室中的海水抽入到样品水舱中。

[0008] 优选的，所述隔膜可以采用硅树脂膜或者聚四氟乙烯膜等具有透气不透水特性的薄膜设计而成。

[0009] 进一步的，在所述进水管路中还设置有限定海水从样品水舱向流量泵流动的单向阀，所述单向阀位于样品水舱与流量泵之间。

[0010] 优选的，将所述气泵通过气体管路连接至样品水舱的底部，这样可以将气泵从检测室中抽吸出的气体充分地溶解在样品水舱内的海水中，从而便于排水泵在排放样品水舱中的海水时能够将所述气体一同排放出耐压舱；在气泵连接样品水舱的气体管路中设置有换气阀。为了提高气体检测的准确性，保证后续的气体检测过程能够顺利进行，控制所述气泵抽吸检测室中的气体直至将检测室抽成真空。

[0011] 进一步的，通过所述进水口进入的海水经由过滤器滤除掉其中的杂质后，再流经所述的减压阀。通过设置过滤器可以避免海水中的杂质阻塞耐压舱内部的管路，以保证检测工作能够顺利进行。

[0012] 作为所述检测室的一种优选结构设计方式，在所述检测室的相对的两个侧壁上分别开设有一个透明观察窗，检测室的其余部分由不透光材料制成；所述红外光源正对其中一个透明观察窗布设，发射红外光通过所述透明观察窗射入到检测室内；所述热释电红外传感器正对另外一个透明观察窗布设，接收透射出来的红外光。

[0013] 为了减少干扰，提高测量精度，所述热释电红外传感器优选采用双通道热释电红外传感器，包括测量通道和参考通道，根据待检气体的种类确定待检气体吸收的红外波长，进而选择与之对应波长的滤光片安装在热释电红外传感器的测量通道中，以接收所述波长的光信号。

[0014] 作为所述控制电路的一种优选电路结构设计，在所述控制电路中设置有放大器、模数转换器、处理器和PWM电路，通过所述热释电红外传感器输出的电信号经放大电路进行放大处理后，输出至模数转换器转换成数字信号，并发送至处理器进行待测气体的浓度计算；所述处理器输出一定调制频率的PWM信号至PWM电路，通过PWM电路控制红外光源的开关频率。

[0015] 优选的，所述调制频率在0.1Hz-3Hz的范围内取值；所述待测气体为对红外光敏感的气体，例如二氧化碳CO2、一氧化碳CO、甲烷CH4、乙烯C2H4、乙炔C2H2、丙烷C3H8、丁烷C4H10等。

[0016] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的气体检测装置具有原位、实时、便于多时空尺度定量观测等特点，体积小、操作简便、检测精度高，可以布放在指定的观测位置进行连续监测，并可与其他化学、物理传感器集成为一体实现水下连续、实时观测，为检测海水中甲烷、乙烯、丙烷等气体浓度的异常、发现新的天然气水合物赋存区域、深入认识海底天然气水合物的渗漏对全球气候变化以及全球碳循环作用研究提供了新的观测手段，在海洋环境变化和全球气候变化研究以及海底资源开发利用中具有广泛的应用前景。

[0017] 结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

[0018] 图1是本发明所提出的用于对海水中的多种气体进行浓度检测的装置的整体架构框图；

[0019] 图2是控制电路的一种实施例的电路原理框图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

[0021] 实施例一，参见图1所示，本实施例的用于对海水中溶解的多种气体进行浓度检测的装置主要由耐压舱1、减压阀2、样品水舱3、流量泵5、气液分离室6、检测室9、气泵11、排水泵14、出水阀15和控制电路等部分组成。其中，耐压舱1用于保护装置中的其他组成部分，以确保装置能够适应较高的水下压力。在耐压舱1的舱壁上开设有进水口101和出水口102，装置的其他组成部件均设置在耐压舱1内。将所述进水口101通过进水管路连接至减压阀2，并通过减压阀2连接至样品水舱3，优选连接至样品水舱3的顶部或者样品水舱3侧壁靠上的位置处。为了避免海水中的杂质进入检测装置，造成管路阻塞，影响检测工作的顺利进行，本实施例在进水口101连接减压阀2的进水管路中优选增设一过滤器16，例如网孔面积在10μm2左右的过滤网，以有效过滤海水中的杂质。将所述样品水舱3通过管路与气液分离室6连通，在所述气液分离室6中设置有具有透气但不透水特性的隔膜7，例如由硅树脂或者聚四氟乙烯PTFE等材料制成的薄膜，通过所述隔膜7将气液分离室6分隔成上下两个腔室，上方腔室为气室601，下方腔室为液室602，所述样品水舱3通过进水管路与气液分离室6的液室602连通。在连接所述样品水舱3与液室602的进水管路中可以进一步设置单向阀4和流量泵
5，通过流量泵5抽吸样品水舱3中一定量的待测海水并泵入到气液分离室6的液室602中，通过单向阀4保证海水从样品水舱3向气液分离室6单向流动。在气液分离室6中，溶解在海水中的气体通过隔膜7进入气室601。将所述气室601通过气体管路与检测室9连通，使气室601中的气体能够扩散进入检测室9。在所述检测室9上设置有红外光源8和热释电红外传感器
10，利用红外光源8发射红外线照射检测室9中的气体，并通过热释电红外传感器10接收穿过所述气体透射出来的红外线。所述热释电红外传感器10根据接收到的光线强度生成与之对应的电信号，输出至控制电路，用于待测气体的浓度计算。

[0022] 在本实施例中，所述检测室9优选设置成长条状，如图1所示，在检测室9位置相对的两个短边侧分别开设有一个透明观察窗，优选设计成玻璃观察窗，检测室9的其他部分均采用不透光材料制成，以避免红外光线外漏，影响检测精度。将所述红外光源8正对其中一个透明观察窗布设，使其发射的红外光能够通过透明观察窗入射到检测室9内，照射检测室9内的待测气体。将热释电红外传感器10正对另外一个透明观察窗布设，接收穿过待测气体透射出来的光线。

[0023] 热释电红外传感器是一种光电转换器件，其内部的 PZT 晶体结构的表面电荷极化随其温度变化而变化。当传感器受到红外线照射后，内部温度升高导致极化状态随之降低，表面电荷浓度也相应降低，这就相当于“释放”了一部分电荷，从外部将释放的电荷取出，就变成传感器的输出电压。如果红外辐射持续不变，表面电荷就会升到新的平衡状态，这时就不再释放电荷，也就不再有信号输出了。只有不断变化的光源才能在传感器上产生连续变化的输出信号，信号频率与红外辐射变化的频率相同。因此，本实施例设计控制电路，连接所述的红外光源8，按一定频率对红外光源8进行调制。结合图2所示，在所述控制电路中可以设置处理器（例如MCU等）和PWM电路，通过处理器MCU输出一定频率的PWM信号至PWM电路。所述PWM电路可以设计成开关电路的形式，连接在红外光源8的供电回路中，根据接收到的PWM信号控制红外光源8的供电回路导通或者切断，进而控制红外光源8按照设定的调制频率打开和关闭，通过提供不断变化的红外辐射，以确保热释电红外传感器10能够始终输出有效的电信号。

[0024] 在本实施例中，所述红外光源8的调制频率可以根据实验来具体确定，本实施例优选在[0.1Hz-3Hz]的区间内取值。

[0025] 为了使本实施例的气体浓度检测装置能够适用于多种待测气体，所述待测气体为对红外光线敏感的气体，例如二氧化碳CO2、一氧化碳CO、甲烷CH4、乙烯C2H4、乙炔C2H2、丙烷C3H8、丁烷C4H10等，本实施例采用更换热释电红外传感器10上设置的滤光片的方式实现。具体来讲，每一种对红外光敏感的气体都具有吸收特定波长红外光的特性，例如甲烷气体对波长为3.31μm的红外光具有特定吸收峰。根据待测气体的红外波长吸收特性，选择相应波长的滤光片安装在热释电红外传感器10上，根据接收到的该波长红外光的辐射强度，结合红外光源8发射的红外光强度，即可计算出待测气体对该特定波长红外光的吸收强度，继而根据朗玻-比尔（Lambert-Beer）吸收定律便可计算出待测气体的浓度。

[0026] 朗玻-比尔吸收定律： ；其中，是光通过介质吸收后的投射光强；为入射介质光强；为吸收系数，是波长的函数； 是待测气体浓度； 光路长度，即光线在待测气体中穿过的有效路径长度。

[0027] 为了提高检测精度，本实施例优选采用双通道热释电红外传感器10接收透射出检测室9的红外光。所述双通道热释电红外传感器10具有两路通道：一路为测量通道，一路为参考通道。在两路通道中均设置有滤光片，以甲烷气体为例，可以在测量通道中安装波长为3.31μm的滤光片，在参考通道中安装波长为4.0μm的滤光片。通过检测室9透射出来的红外光分成两束，分别射向测量通道和参考通道。由于光源的不稳定以及光电器件零漂等因素同时影响到测量通道和参考通道，通过将测量信号和参考信号进行比较，便可滤出这些因素的干扰，获得准确的气体浓度。具体计算公式如下：

[0028] 测量信号：

[0029] 参考信号： ；

[0030] 公式中， 、 是光路的干扰因素； 、 是光学系统的耦合参数。两路信号相比，得到：

[0031] 。

[0032] 通过简化公式，得到：

[0033] ；其中 ，K为系数。

[0034] 在对溶解在海水中的不同气体进行浓度检测时，只需根据待测气体的红外波长吸收特性更换相应波长的滤光片，安装在热释电红外传感器10的测量通道中即可。

[0035] 由于通过热释电红外传感器10输出的电信号比较微弱，为了提高信号接收的可靠性，本实施例在控制电路中还设置有放大器和A/D转换器，如图2所示。通过热释电红外传感器10输出的电信号首先传输至前端放大器进行前置放大处理，放大后的电信号经A/D转换器采样并进行模数转换后，输出数字信号至所述的处理器MCU。处理器MCU根据接收到的数字信号计算出红外光通过待测气体吸收后的投射光强，继而结合已知的红外光源8入射光强，利用上述计算公式准确地计算出待测气体的浓度。

[0036] 在所述控制电路中还可以进一步设置通信电路和存储电路，分别连接所述的处理器MCU。对于处理器MCU计算出的待测气体浓度，一方面可以传输至存储电路，进行本地保存；另一方面可以通过通信电路上传至海面上的监测船或者岸站，以供海上或者岸边的监测人员观测。

[0037] 当然，也可以将计算气体浓度的工作转由水上监测设备或者岸站完成，即，处理器MCU将接收到的数字信号通过通信电路采用有线或者无线的方式上传至水上监测设备或者岸站，由水上监测设备或者岸站中的计算机来完成海水中待测气体的浓度计算。

[0038] 为了使本实施例的气体浓度检测装置能够在水下连续工作，本实施例在耐压舱1中还设置有对已测气体和海水进行排放的通路，如图1所示。将所述样品水舱3通过排水泵14和出水阀15连通出水口102。将检测室9通过气路连通气泵11，所述气泵11通过换气阀12与样品水舱3连通，优选通过气体管路连接至样品水舱3的底部，以使检测完的气体能够充分溶解在样品水舱3内的海水中，进而随海水一同排放出去。在气液分离室6的液室602的底部连接出水管路，所述出水管路通过隔离阀13连通样品水舱3，所述隔离阀13优选采用单向阀，在检测结束后开启，进而在排水泵14的抽吸作用下，将液室602中的海水抽吸至样品水舱3。

[0039] 在进行检测前，样品水舱3中的海水通过减压阀2和排水泵14与耐压舱1外界的海水保持循环交换。在进行海水样品取样时，样品水舱3中的海水通过流量泵5泵入到气液分离室6中进行气液分离。待检测结束后，开启隔离阀13、气泵11和换气阀12，分别将液室602中的废液以及检测室9中的废气排入到样品水舱3中，然后在样品水舱3与外界海水的循环交换过程中，将废气和废液从样品水舱3放排至外界。

[0040] 下面结合图1，以待测气体为甲烷为例，对本实施例的气体浓度检测装置的具体工作原理进行详细阐述。

[0041] 将本实施例所提出的气体浓度检测装置安装在调查船或者水下机器人上，随调查船或者水下机器人进行海底作业。当调查船或者水下机器人下潜到需要检测的海域时，启动气体浓度检测装置开始运行。在进行测量前，首先打开气泵11，通过气泵11对检测室9进行抽真空处理；然后关闭气泵11，控制减压阀2开启，使海水通过进水口101进入到耐压舱1中，并经过滤器16滤除掉其中的杂质后，进入减压阀2以降为常压（例如一个大气压），然后进入到样品水舱3中。在开启减压阀2的同时或者待样品水舱3中存有一定量的海水后，开启出水阀15和排水泵14，使样品水舱3中的海水通过进水口和出水口与耐压舱1外界的海水实现循环交换。

[0042] 在需要对海水样品进行气体浓度检测时，打开单向阀4，并开启流量泵6，通过流量泵6对样品水舱3中的海水进行定量取样，并泵入到气液分离室6的液室602中。在气液分离室6中，溶解在海水中的甲烷、氧气、二氧化碳等气体分子通过隔膜7扩散到气室601中，而样品水则不能透过隔膜7。由于此时的检测室9已抽成真空，因此气室601中的气体会迅速扩散进入到检测室9中。由于检测室9内的甲烷气体浓度与耐压舱1外海水环境中的甲烷气体浓度直接相关，因此通过计算检测室9内的甲烷气体浓度便可获得待测海域的甲烷气体含量。

[0043] 待气室601中的甲烷气体进入到检测室9后，由控制电路中的处理器MCU输出PWM信号，通过PWM电路控制红外光源8以特定的调制频率发射红外光，并射入到检测室9中。当含有甲烷气体特征吸收波长带的红外光进入到检测室9中时，甲烷气体将吸收这部分波长的红外光，使得红外辐射的光强发生变化。穿过甲烷气体的红外光被热释电红外传感器10接收后，输出反映该波长红外光强度大小的电信号，经前端放大器进行前置放大处理并由A/D转换器采样后，转换成数字信号输出至处理器MCU，计算出海水中的甲烷含量。

[0044] 当然，也可以将计算甲烷气体含量的工作转由水上监测设备或者岸站完成，即，处理器MCU将接收到的数字信号通过通信电路采用有线或者无线的方式上传至水上监测设备或者岸站，由水上监测设备或者岸站中的计算机来完成海水中的甲烷含量的计算。

[0045] 检测完毕后，开启气泵11和单向换气阀12，将检测室9内的气体排入到样品水舱3中，直至将检测室9抽成真空。然后，打开隔离阀13，使气液分离室6的液室602与样品水舱3连通，利用排水泵14的抽吸作用将液室602中的海水抽入到样品水舱3中，随样品水舱3中的海水一同循环置换出去。

[0046] 本实施例的气体浓度检测装置体积小，携带方便，可以搭载在水下机器人进入深海，进行海水采样以及检测样本水中溶解的多种气体浓度，也可在深海勘察油气资源的时候使用，此装置具有操作简单、精度高、采样效率高等优点。

[0047] 当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。